CN103151618A

CN103151618A - 用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板

Info

Publication number: CN103151618A
Application number: CN2013100559497A
Authority: CN
Inventors: 姜文; 李成凯; 洪涛; 于松涛; 张扬; 邓兆斌; 龚书喜
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103151618B

Abstract

本发明公开了一种用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，主要用于解决现有反射面天线带宽较窄，无法实现角度稳定性的问题。本发明的反射板由反射板单元沿反射板单元所在的X、Y轴方向周期严拓后构成，反射板单元由介质单元、上频率选择表面单元和下频率选择表面单元构成。其中上频率选择表面单元由按照矩阵排列的圆环贴片构成，下频率选择表面单元由中间开孔的正方形贴片以及与正方形贴片中心重合的车轮状贴片构成。本发明展宽了谐振频带的带宽，实现多角度的稳定性，提升了通信频带内信号的强度。

Description

用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及电磁材料技术领域中的一种用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板。本发明可用于卫星通信、移动通信、多馈源多频复用的反射面天线等。

背景技术

频率选择表面不仅能够有效的控制入射电磁波的反射和传输，而且还可以对电磁波进行频率选择和极化选择，对于其通带内的电磁波呈现全通特性，而对其阻带内的电磁波呈现全反射特性，具有空间滤波功能。在微波领域中，频率选择表面在多频段复用***中的重要作用，使其可用于通讯卫星的频段的多工器，以及多馈源多频复用的反射面天线。

北京航空航天大学提出的专利申请“一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构及其构建方法”(申请号：201010601816.1，公开号：CN102176543A)中公开了一种具有双频带特性的十字螺旋FSS结构，该结构由一个大尺寸的十字螺旋结构和四个尺寸相对缩小一半的小尺寸十字螺旋结构组成，大、小十字螺旋结构均由十字形臂和十字末端的S形臂组成；大尺寸的十字螺旋结构位于十字螺旋FSS结构层的结构单元中心，四个小尺寸的十字螺旋结构由大尺寸十字螺旋结构缩小一倍再旋转45°后分别向上向左、向上向右、向下向左、向下向右平移后得到；该十字螺旋FSS的结构层中通过使用两种同构但尺寸大小相异的十字螺旋结构产生了具有双频特性的通带。但是该结构还有不足之处：第一，该结构使用同构单元产生的双频通带具有相同的特性参数，尺寸的改变会相应地改变通带的特性参数；第二，该结构采用两种形状相似的单元，并且两者相互嵌套，会产生耦合特性；第三，该结构具有较窄的通带带宽特性，角度稳定性不是很好。

北京航空航天大学提出的专利申请“一种新型对入射角稳定的互补型频率选择表面”(申请号：201010178924.2，公开号：CN101847766A)中公开了一种新型对入射角稳定的互补型频率选择表面，该互补型频率选择表面结构简单，易于加工。但是该互补型频率选择表面的不足之处在于针对电磁波斜入射时，随着入射角度的增大，谐振频率会发生偏移，高频的频率偏移尤其严重，影响频率选择表面的工作性能，不能满足通信质量的要求。

北京航空航天大学提出的专利申请“一种新型对入射角稳定的混合型频率选择表面”(申请号：201010168139.9，公开号：CN101834327A)中公开了一种新型对入射角稳定的混合型频率选择表面，该互补型频率选择表面结构由***的金属方框贴片和内部的圆环贴片混合型频率选择表面构成。但是该混合型频率选择表面的不足之处在于，混合型频率选择表面的结构单元之间存在耦合，当针对电磁波斜入射时，随着入射角度的增大，谐振频率会发生偏移，影响频率选择表面的工作性能。

东南大学提出的专利申请“极化不敏感双频特性有源频率选择表面”(申请号：201010210448.8，公开号：CN101894990A)中公开了一种针对极化不敏感的双频特性有源频率选择表面。该有源频率选择表面由介质板和金属层构成，金属层置于介质板的正面，金属层由方形的金属贴片和***的金属方框贴片构成，两者之间加载有电容连接；介质板的背面设有馈电网络，馈电网络由中心对称分布的四组螺旋金属馈线构成，馈电网络经过金属通孔与正面的方形金属贴片连接。该结构可以实现C波段和X波段双频谐振可调，实现极化不敏感特性。但是该极化不敏感双频特性有源频率选择表面仍然存在的不足在于，由于频率选择表面依赖于加载集总器件和馈电网络，集总元件的生产加工存在一定的误差和使用寿命，需要定期的维护；

馈电网络的使用增加了该结构的复杂性，周期性的展开，需要复杂的馈电网络。

发明的内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，不仅有效地展宽了工作带宽，而且实现多频通信的同时工作，保持斜入射角度的稳定性以及极化的稳定性。

本发明是这样实现的：

1、技术原理

实现本发明的基本思想是：通常情况下，某一波长的外来电磁波照射到频率选择表面单元上，当频率选择表面单元的周长与这一电磁波的波长的差值相比于入射波的波长很小时。理论上，入射电磁波将会在由频率选择表面单元所组成的阵列的表面上发生全反射或全透射，在频率选择表面的谐振频带外，由频率选择表面单元所组成的阵列将会等效成空气或者金属平面。根据上述思想，本发明提出一种用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，可以满足双频工作的特性，而且当电磁波斜入射到频率选择表面结构上时，谐振频点和工作带宽基本不会受到影响。

2、用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板的结构

本发明的反射板由m×n个反射板单元沿反射板单元所在的X、Y轴周期严拓后构成，m≥40、n≥40，其特征在于：

每个反射板单元由介质单元3、上频率选择表面单元1和下频率选择表面单元2构成；上频率选择表面单元1涂覆在介质单元3的上表面，下频率选择表面单元2涂覆在介质单元3的下表面；上频率选择表面单元1、下频率选择表面单元2和介质单元3的长、宽均相同；

所述的介质单元3采用相对介电常数ε_r＝4.4的介电材料，介质单元为一个长方体，长宽高为l×w×h，其中l＝w，介质单元的长、宽w的取值范围为4mm≤w≤12mm，介质单元高度h的取值范围为0.5mm≤h≤4mm。

所述的上频率选择表面单元1由四个圆环贴片4组成，圆环贴片内半径r_ti的取值范围为0.6mm≤r_ti≤2mm，圆环贴片外半径r_to的取值范围为0.8mm≤r_to≤3mm，圆环贴片间隔距离w_t的取值范围为2mm＜w_t≤5mm。

所述的下频率选择表面单元2由正方形贴片5和与正方形贴片中心重合的车轮状贴片6构成。车轮状贴片的中心与正方形贴片的中心重合，并且车轮状贴片由外圈贴片7和内部辐条贴片8构成。

所述的正方形贴片5的中间开有圆孔，圆孔的圆心与正方形贴片的中心重合，正方形贴片边长w的取值范围为4mm≤w≤12mm，圆孔半径r_bo的取值范围为2.1mm≤r_to≤5.8mm。

所述的外圈贴片7为外圆周等角度分布有矩形开口的圆环贴片，圆环贴片内半径r_bm的取值范围为0.6mm≤r_bm≤4mm，圆环贴片的外半径r_bi的取值范围为0.9mm≤r_bi≤5mm；所述矩形开口之间的间隔角度

的取值范围为

矩形开口长度l_g的取值范围为0.2mm≤l_g＜1mm，矩形开口宽度w_g取值范围为0.2mm≤w_g＜1mm。

所述的内部辐条贴片8是在外圈贴片7的内圆周绕外圈贴片的中心等角度分布的矩形贴片，间隔角度θ的取值范围为0°＜θ＜180°，矩形贴片长度l_r的取值范围为2mm≤l_r＜7mm，宽度w_r取值范围为0.2mm≤w_r＜1.2mm，矩形贴片的中心交汇处开有圆孔，圆孔半径r_bc的取值范围为0mm＜r_bc≤1mm。

本发明采用中心对称的圆环贴片结构以及等角度对称分布的矩形贴片，可以有效的克服现有不同极化的电磁波照射所产生的极化特性不稳定的问题，使本发明可以提高通信频带在不同极化下的通信质量；同时利用两种不同的单元结构，并且采取分层结构的思想，能够对双频特性进行单独的分析与研究，可以有效的克服现有单层互相镶嵌结构单元的耦合问题，增加了设计的容易程度，使本发明可以更好的满足双频的通信要求。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的反射板单元立体结构示意图；

图3为本发明的上频率选择表面单元结构示意图；

图4为本发明的下频率选择表面单元结构示意图；

图5为本发明在低频频段不同极化、不同角度下反射系数曲线的仿真图；

图6为本发明在高频频段不同极化、不同角度下传输系数曲线的仿真图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，反射板由m×n个反射板单元沿反射板单元所在的X、Y轴方向周期严拓后构成，其中，m为反射板单元在X轴的周期拓展数目，n为反射板单元在Y轴的周期拓展数目，m和n取值范围为m≥40、n≥40，相邻反射板单元的中心间距为w，w为正方形贴片5的边长，每一个反射板单元的结构如图2所示。

参照附图2，反射板单元由上频率选择表面单元1、下频率选择表面单元2和介质单元3构成，其中三者的长、宽均相同，并且均为w。上频率选择表面单元1涂覆在介质单元3的上表面，结构如图3所示，其中图3(a)为上频率选择表面单元1的结构图，图3(b)为圆环贴片的结构图；下频率选择表面单元2涂覆在介质单元3的下表面，结构如图4所示，其中图4(a)为下频率选择表面单元2的结构图，图4(b)为中间开有圆孔的正方形贴片5的结构图，图4(c)为车轮状贴片6的结构图，图4(d)为外圈贴片7的结构图，图4(e)为内部辐条贴片8的结构图；介质单元3为一个长方体，长宽高为l×w×h，其中l＝w，介质单元的长、宽的取值范围为4mm≤w≤12mm，介质单元高度h的取值范围为0.5mm≤h≤4mm。

参照附图3，图3(a)中上频率选择表面单元1由四个按照矩形阵列排布并且尺寸完全相同的圆环贴片4组成，相互之间的间距w_t的取值范围为2mm＜w_t≤5mm。图3(b)中圆环贴片4内半径r_ti的取值范围为0.6mm≤r_ti≤2mm，圆环贴片4外半径r_to的取值范围为0.8mm≤r_to≤3mm。

参照附图4，其中图4(a)中，下频率选择表面单元2由正方形贴片5和与正方形贴片5中心重合的车轮状贴片6组合形成。图4(b)中，正方形贴片边长w的取值范围为4mm≤w≤12mm，圆孔半径r_bo的取值范围为2.1mm≤r_to≤5.8mm。图4(c)中，车轮状贴片6由外圆周等角度外圈贴片7和内部辐条贴片8构成。图4(d)中，外圈贴片内半径r_bm的取值范围为0.6mm≤r_bm≤4mm，外圈贴片的外半径r_bi的取值范围为0.9mm≤r_bi≤5mm。矩形开口之间的间隔角度

的取值范围为

矩形开口长度l_g的取值范围为0.2mm≤l_g＜1mm，矩形开口宽度w_g取值范围为0.2mm≤w_g＜1mm。图4(e)中，内部辐条贴片8由等角度间隔的矩形贴片构成，间隔角度θ的取值范围为0°＜θ＜180°；矩形贴片长度l_r的取值范围为2mm≤l_r＜7mm，矩形贴片宽度w_r取值范围为0.2mm≤w_r＜1.2mm，圆孔半径r_bc的取值范围为0mm＜r_bc≤1mm。

实施例1：由m×n个反射板单元沿X、Y轴方向周期严拓后构成的反射板的工作频率为20/44GHz，其中反射板单元在X轴的周期拓展数目m＝60，反射板单元在Y轴的周期拓展数目n＝40，相邻反射板单元的中心间距w＝4.4mm。

介质单元3选择长为l＝4.4mm，宽为w＝4.4mm，厚度为h＝2mm，介电常数为4.4的FR4介电材料。

上频率选择表面单元1中圆环贴片4之间的中心间距为w_t＝2.2mm，圆环贴片4的外半径取值为r_to＝0.9mm，内半径取值为r_ti＝0.72mm。下频率选择表面单元2中的正方形贴片5的边长取值为w＝4.4mm，中间圆孔半径取值为r_bo＝2.1mm；外圈贴片7的内半径取值为r_bm＝1.1mm，外半径取值为r_bi＝1.6mm，外圈贴片上的矩形开口的长度取值为l_g＝0.4mm，宽度取值为w_g＝0.4mm，矩形开口之间的间隔角度取值为

内部辐条贴片8的长度取值为l_r＝2.4mm，宽度取值为w_r＝0.3mm，辐条贴片之间的间隔角度取值为θ＝45°，辐条贴片交汇处圆孔的半径取值为r_bc＝0.3mm。

实施例2：由m×n个反射板单元沿X、Y轴方向周期严拓后构成的反射板的工作频率为15/33GHz，其中反射板单元在X轴的周期拓展数目m＝50，反射板单元在Y轴的周期拓展数目n＝40，相邻反射板单元的中心间距w＝8mm。

介质单元3选择长为l＝8mm，宽为w＝8mm，厚度为h＝2.4mm，介电常数为4.4的FR4介电材料。

上频率选择表面单元1中圆环贴片4之间的中心间距为w_t＝4mm，圆环贴片4的外半径取值为r_to＝1.8mm，内半径取值为r_ti＝1.5mm。下频率选择表面单元2中的正方形贴片5的边长取值为w＝8mm，中间圆孔半径取值为r_bo＝3.9mm；外圈贴片7的内半径取值为r_bm＝2.4mm，外半径取值为r_bi＝3mm，外圈贴片上的矩形开口的长度取值为l_g＝0.5mm，宽度取值为w_g＝0.4mm，矩形开口之间的间隔角度取值为

＝30°；内部辐条贴片8的长度取值为l_r＝5.2mm，宽度取值为w_r＝0.6mm，辐条贴片之间的间隔角度取值为θ＝45°，辐条贴片交汇处圆孔的半径取值为r_bc＝0.3mm。

实施例3：由m×n个反射板单元沿X、Y轴方向周期严拓后构成的反射板的工作频率为14/28GHz，其中反射板单元在X轴的周期拓展数目m＝40，反射板单元在Y轴的周期拓展数目n＝40，相邻反射板单元的中心间距w＝10mm。

介质单元3选择长为l＝10mm，宽为w＝10mm，厚度为h＝1.6mm，介电常数为4.4的FR4介电材料。

上频率选择表面单元1中圆环贴片4之间的中心间距为w_t＝5mm，圆环贴片4的外半径取值为r_to＝2.3mm，内半径取值为1.9mm。下频率选择表面单元2中的正方形贴片5的边长取值为w＝10mm，中间圆孔半径取值为r_bo＝4.3mm；外圈贴片7的内半径取值为r_bm＝3mm，外半径取值为r_bi＝3.6mm，外圈贴片上的矩形开口的长度取值为l_g＝0.8mm，宽度取值为w_g＝0.4mm，矩形开口之间的间隔角度取值为

内部辐条贴片8的长度取值为l_r＝6.2mm，宽度取值为w_r＝1.1mm，辐条贴片之间的间隔角度取值为θ＝30°，辐条贴片交汇处圆孔的半径取值为r_bc＝0.6mm。

下面通过对实施例1的仿真来进一步说明本发明的优点：

1、本发明反射板带宽的特性

本发明所设计双频带频率选择表面反射板具有带宽较宽的优点，见图5和图6。在20GHz的低频频段，图5(a)给出TM极化下-10dB带宽可以达到1.8GHz，图5(b)给出TE极化下-10dB带宽可以达到0.8GHz；在44GHz的高频频段，图6(a)给出TM极化下-30dB带宽可以达到2.8GHz，图6(b)给出TE极化下-30dB带宽可以达到3.5GHz。

2、本发明多角度入射的稳定特性

当平面波以0°，30°，40°和50°入射时，本发明的传输系数和反射系数如图5和图6。其中在20GHz的低频频段，图5给出本发明频率选择表面单元的谐振频率基本稳定在21.2GHz，工作频带为20.8GHz～21.6GHz；在44GHz的高频频段，图6给出本发明频率选择表面单元的谐振频率基本稳定在44GHz，工作频带为42.5GHz～46GHz，由此可以看出本发明具有稳定的谐振频带和频率选择特性。

以上仅为本发明天线的三个实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明的可应用于展宽反射面天线带宽、多角度稳定的特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims

1.一种用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，反射板由m×n个反射板单元沿反射板单元所在的X、Y轴周期严拓后构成，m为反射板单元在X轴的周期拓展数目，n为反射板单元在Y轴的周期拓展数目，其特征在于，所述每个反射板单元由介质单元(3)、上频率选择表面单元(1)和下频率选择表面单元(2)构成，介质单元(3)位于上频率选择表面单元(1)和下频率选择表面单元(2)之间；上频率选择表面单元(1)、下频率选择表面单元(2)和介质单元(3)的长、宽均相同，上频率选择表面单元(1)由四个圆环贴片(4)组成，下频率选择表面单元(2)由正方形贴片(5)和与正方形贴片中心重合的车轮状贴片(6)构成。

2.根据权利要求1所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述的反射板周期严拓的数目m、n取值范围为m≥40、n≥40。

3.根据权利要求1所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述的介质单元(3)采用相对介电常数ε_r为4.4的电介质材料，介质单元为一个长方体，长宽高为l×w×h，其中l＝w，介质单元的长、宽w的取值范围为4mm≤w≤12mm，介质单元高度h的取值范围为0.5mm≤h≤4mm。

4.根据权利要求1所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述的上频率选择表面单元(1)由按照矩形阵列排布的四个形状完全相同的圆环贴片(4)构成，其中圆环贴片(4)内半径r_ti的取值范围为0.6mm≤r_ti≤2mm，圆环贴片(4)外半径r_to的取值范围为0.8mm≤r_to≤3mm，圆环贴片(4)的间隔距离w_t的取值范围为2mm＜w_t≤5mm。

5.根据权利要求1所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述的下频率选择表面单元(2)由正方形贴片(5)和与正方形贴片中心重合的车轮状贴片(6)构成。

6.根据权利要求5所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述的正方形贴片(5)的中间开有圆孔，圆孔的圆心与正方形贴片的中心重合，正方形贴片边长w的取值范围为4mm≤w≤12mm，圆孔半径r_bo的取值范围为2.1mm≤r_to≤5.8mm。

7.根据权利要求5所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述车轮状贴片(6)的中心与正方形贴片(5)的中心重合，车轮状贴片(6)由外圈贴片(7)和内部辐条贴片(8)构成。

8.根据权利要求7所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述外圈贴片(7)为外圆周等角度分布有矩形开口的圆环贴片，圆环贴片内半径r_bm的取值范围为0.6mm≤r_bm≤4mm，圆环贴片的外半径r_bi的取值范围为0.9mm≤r_bi≤5mm；所述矩形开口之间的间隔角度

的取值范围为

9.根据权利要求7所述的用于反射面天线的双频带频率选择表面反射板，其特征在于，所述的内部辐条贴片(8)是在外圈贴片(7)的内圆周绕外圈贴片的中心等角度分布的矩形贴片，间隔角度θ的取值范围为0°＜θ＜180°，矩形贴片长度l_r的取值范围为2mm≤l_r＜7mm，宽度w_r取值范围为0.2mm≤w_r＜1.2mm，矩形贴片的中心交汇处开有圆孔，圆孔半径r_bc的取值范围为0mm＜r_bc≤1mm。